СОСТАВЫ ЦЕМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ, ПОЗВОЛЯЮЩИХ ПОВЫСИТЬ КАЧЕСТВО КРЕПИ

COMPOSITIONS OF CEMENT MORTARS THAT IMPROVE THE QUALITY OF THE SUPPORT

Dmitry Zavyalov

student, Department of Oil and Gas Drilling, Tyumen Industrial University,

Russia, Tyumen

АННОТАЦИЯ

Дискуссии о качестве крепления вызывают постоянные споры, так как о них существует нехватка данных как теоретических, так и практических. Однако неизменен факт – длительная эксплуатация скважины возможна лишь при высоком уровне изоляции продуктивного пласта [1].

Для ограничения водопритока в скважинах необходимо обеспечить герметичность каналов в цементном кольце. Наиболее перспективным решением данной задачи является применение составов, обладающих свойствами «самовосстановления», позволяющих сохранить герметичность крепи скважин в течении длительного времени, предотвратить заколонную циркуляцию воды и агрессивных сред.

Анализ, ранее испытанных технологических решений, применявшихся при цементировании эксплуатационных колонн на месторождениях Западной Сибири подтвердил, что максимальный эффект обеспечения герметичности затрубного пространства скважины возможно достичь при использовании гидроизоляционных составов.

В связи с тем, что гидроизоляционные составы способны решать лишь часть задач, дополнительным направлением исследования в данной работе являлось рассмотрение возможности увеличения степени сцепления цементного камня с обсадных колоннами и горными породами.

ABSTRACT

Discussions about the quality of fastening cause constant controversy, as there is a lack of data on them, both theoretical and practical. However, the fact remains unchanged – long-term operation of the well is possible only with a high level of isolation of the productive formation [1].

To limit the water flow in wells, it is necessary to ensure the tightness of the channels in the cement ring. The most promising solution to this problem is the use of formulations with "self-healing" properties, which allow to maintain the tightness of the well supports for a long time, to prevent the backwater circulation of water and aggressive media.

An analysis of previously tested technological solutions used in the cementing of production columns in the fields of Western Siberia confirmed that the maximum effect of ensuring the tightness of the annulus of the well can be achieved using waterproofing compounds.

Due to the fact that waterproofing compounds are able to solve only part of the tasks, an additional area of research in this work was to consider the possibility of increasing the degree of adhesion of cement stone to casing columns and rocks.

Ключевые слова: крепление скважин, повышение качества, качество сцепления, разработка составов.

Keywords: well fixing, quality improvement, adhesion quality, composition development.

После окончания работ по строительству, наибольшие повреждения, по статистике, получает именно цементный стакан, на который постоянно оказываются воздействия как со стороны технологических операций, так и со стороны геологии. Такие нагрузки могут стать причиной образования как сети микротрещин, так крупных магистральных трещин высокой степени раскрытости, что в свою очередь ведет к потере герметичности цементного кольца [4].

Одним из способов решения представленных проблем, является применение «самовосстанавливающихся» тампонажных составов. Такие составы позволяет повысить качество строительства нефтяных и газовых скважин как при первичном цементировании, так и обеспечить надежную изоляцию продуктивных интервалов после вторичного вскрытия.

Механизмы восстановления без применения стороннего воздействия и наука, их изучающая, существует порядка сорока лет, и наиболее существенный прорыв был получен относительно недавно, толчком чему послужило развитие нанотехнологий, позволяющих взаимодействовать и изучать структуру атома.

Принцип восстановления целостности, или самозалечивания, заключается в способности цемента восстанавливать свою герметичность и сплошность с помощью специальных добавок.

Эффект самовосстановления активируется под воздействием внешних факторов и триггером может быть в том числе вода. Сам процесс самовосстановления проходит в несколько стадий:

– появление трещин в камне;

– проникновение воды в трещины;

– закупорка трещины при участии специальных добавок.

Второй важной задачей по литературным данным является проведение «идеального» цементирования. Цементирование будет считаться высококачественным при условии полного замещения буровой промывочной жидкости цементным составом. После окончания процессов твердения у цемента, обсадная колонна, удалённая в равной степени по всей длине от стенок скважины, будет окружена цементом, полностью схватившимся как со стенками, так и с металлом труб.

Работы ученых всего мира привели к выводам о том, что при различных типах течения вытеснение цементным раствором возможно в диапазоне от 42 до 98 процентов при условии вытеснения именно глинистого раствора. Режим течения может быть достигнут при увеличении скорости подъёма цемента. Однако существуют ограничения на степень замещения вследствие возникновения гидродинамических нагрузок, тогда для снижения порога турбулетности возможно регулирование вязкости и ДНС цементных растворов [2].

Для определения режимов течения цементных растворов на месторождениях Западной Сибири, проведен расчет реологических характеристик на основании актуальных материалов и технологий цементирования. Так при цементировании 146 мм обсадной колонны раствором плотностью 1980 кг/м³, ДНС – 9,83 Па, пластическая вязкость 0,041 Па⸱с, расходами 20 л/с, число Рейнольдса имеет значение 2600, скорость подъема цементного раствора составляет 0,78 м/с. Такой режим соответствует структурному режиму течения, при котором как показано ранее вытесняется не более 42 % бурового раствора [2].

Косвенные подтверждения представленные данные находят в уровне сплошного контакта цементного камня с колонной на месторождениях нескольких месторождений Западной Сибири, где в целом величина сплошного контакта цементного камня с обсадной колонной за последние пару лет колеблется в пределах 45 – 55 % (рисунок 1).

Рисунок 1. Качество крепления по данным АКЦ

Как видно из представленных данных, применение современных технологических решений не позволяет добиться высокого уровня показателя сцепления цементного камня с обсадной колонной. В такой среде создаются предпосылки для возникновения заколонных перетоков (ЗКЦ) (рис. 1) имеющих место преимущественно на контакте цементного камня с обсадной колонной и горной породой.

Представленные обстоятельства обуславливают актуальность разработки тампонажных материалов, позволяющих создать, при соприкосновении, прочный контакт на границе сред, а также способных к самовосстановлению. Тиражирование гидроизоляционных составов на некоторых месторождениях Западной Сибири проводится с 2018 г. Применение таких составов позволило снизить количество отмечаемых ЗКЦ по сравнению с традиционной технологии в 2 – 4 раза, а также обеспечить более высокий процент сплошного контакта цементного камня с обсадной колонной (рисунки 2, 3).

Рисунок 2. Количество случаев, отмечаемых ЗКЦ на месторождениях Западной Сибири

Рисунок 3. Влияние различных технологических решений на процент сплошного контакта цементного камня

Таким образом, представленные данные позволяют сделать вывод о том, что требуется разработка комплексного тампонажного состава, обладающего повышенными адгезионными характеристиками, самовосстанавливающими свойствами и низкими реологическими показателями [4].

Основываясь на ранее представленных данных, перспективным методом комплексного повышения прочности адгезии и доли сплошного контакта, может являться комбинирование 2 – х способов воздействия:

Первое – применение различных наполнителей, в частности: гидроизоляционных, полимерных и добавок железной руды (магнитного железняка), участвующих в создании интерметаллического слоя и обладающих свойствами самовосстановления;

Второе – обработка цементного раствора реагентами пластификаторами, понизителями вязкости и ДНС;

Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Подбор концентраций реагентов. Определение перспективных составов

По результатам, представленным в таблице 1 можно выделить рецептуры № 1, № 2 и № 3 обладающих повышенными адгезионными и гидроизоляционными характеристиками [2].

В качестве дополнительных исследований, проведены испытания тампонажного состава № 3 (как одного из перспективных), по определению возможности снижения порога течения турбулентного режима.  В таблице 2 представлены результаты исследований по регулированию реологических характеристик данного состава. Определение числа Рейнольдса произведено для течения цементного раствора за обсадной колонной диаметром 146, 178 мм с расходами закачиваемых жидкостей 20 и 25 л/с.

Таблица 2.

Исследование реологических характеристик

Из представленных данных таблицы 2 видно, что добавление дополнительного реагента пластификатора (разжижителя) позволило повысить начальную растекаемость на 13 %, снизить показатель пластической вязкости в 3 раза, что увеличило число Рейнольдса (при стандартной гидравлической программе цементирования) в 2 – 3 раза. Представленные реологические характеристики тампонажного раствора, дополнительно обработанного пластификатором, позволяют обеспечить турбулентный режим течения цементного раствора за обсадной колонной, не изменяя гидравлической программы цементирования [2].

Список литературы:

1. Клещенко И.И., Зозуля Г.П., Ягафаров А.К., Овчинников В.П. Теория и практика ремонтно-изоляционных работ в нефтяных и газовых скважинах Учебное пособие. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. – 386 с.
2. М. Беллабарба, Э. Бюльте-Лойе, Б. Фрелиш, С. ЛеРуа-Делаж, Р. Ван Кейк, С. Зиру Обеспечение эффективного разобщения пластов после окончания эксплуатации скважин // Нефтегазовое обозрение, Том 20, № 1 (Весна 2008). С. 22-37